DE10003992A1 - Sensoranordnung - Google Patents
SensoranordnungInfo
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Abstract
Es wird eine Sensoranordnung (1; 20; 30; 40) zur Detektion von Kräften vorgeschlagen, die insbesondere bei einem Kraftfahrzeug in Folge eines Unfalls zu einer Deformation von Bauteilen, z. B. Karosserieteilen (10) führen. Die Sensoranordnung (1; 20; 30; 40) weist eine Anzahl Kontaktelemente (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) auf, die in einer möglichen Deformationsrichtung (11) hintereinandergestaffelt am Bauteil (10) angeordnet sind, wobei zwischen den Kontaktelementen (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) kompressible Isolationsschichten (5, 6, 7; 24, 25; 35, 36) liegen. Die Kontaktelemente (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) sind elektrisch leitend mit einer elektronischen Auswerteschaltung verbunden, mittels der ein durch eine Deformation bewirktes Kontaktieren und/oder Entkontaktieren von benachbart angeordneten Kontaktelementen (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) erfassbar und in Steuer- und/oder Regelsignale umwandelbar ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, insbesondere
zur Detektion mechanischer Kräfte, die beispielsweise bei
einer Kollision eines Kraftfahrzeuges mit einem Hindernis
zu einer Intrusion bzw. Deformation von Bauteilen an die
sem Kraftfahrzeug führen.
Solche Sensoranordnungen werden beispielsweise bei sog.
Rückhaltesystemen in Kraftfahrzeugen eingesetzt, die Un
fällen z. B. Airbags auslösen um die Fahrzeuginsassen vor
den Folgen einer Kollision zu schützen. Zur Auslösung
dieser Rückhaltesysteme wird z. B. die Beschleunigung im
Fahrgastinnenraum oder an peripheren Bereichen des Kraft
fahrzeugs gemessen. Die peripheren Sensoren werden in der
Regel zusätzlich zu dem oder den Sensoren im Fahrgastin
nenraum, bevorzugt an den deformierbaren Bereichen des
Fahrzeugs eingebaut. So sind z. B. für die bessere und
frühzeitige Erkennung von seitlichen Kollisionen Be
schleunigungssensoren auf der sog. B- und/oder C-Säule
des Fahrzeugs oder auf den Sitzquerträgern unterhalb des
Vordersitze eingebaut.
In vergleichbarer Weise werden auch zur besseren Erken
nung von Frontalunfällen Sensoren in die vordere
Knautschzone des Fahrzeugs eingebaut, die üblicherweise
ebenfalls die Beschleunigung messen und die gemessenen
Werte zur besseren Bestimmung der Schwere eines Unfalles
in entsprechenden elektronisch auswertbare Signale umwan
deln.
Insbesondere bei seitlichen Kollisionen haben die bekann
ten Beschleunigungssensoren den Nachteil, dass sie eine
schnelle Unfallerkennung nur dann zulassen, wenn der Sen
sor direkt getroffen wird. So wird beispielsweise beim
Einbau auf die B-Säule ein Pfahl-Aufprall in die Tür des
Fahrzeugs zu spät erkannt. Auch für sich bekannte Druck
sensoren bereiten bei einem Einbau an diesen Stellen Pro
bleme hinsichtlich einer Trennung der Auslöse- und Nicht-
Auslöse-Bedingungen, da sie z. B. bei heftigem Türzuschla
gen nicht ansprechen sollen. Auch bei einer Auslösung von
Fahrer- und Beifahrer Airbags dürfen diese Drucksensoren
den Druckanstieg in Fahrgastinnenraum nicht als Deforma
tion der Tür interpretieren.
Weiterhin ist bei einer Kollision die Geschwindigkeit des
Eindringens des Hindernisses auch ein entscheidender Fak
tor, der die Schwere des Unfalls und die Verletzungsge
fahr für die Insassen bestimmt. Die Eindringgeschwindig
keit ist dabei mit der Breite des Hindernisses und der
Stelle des Auftreffens verknüpft. Beispielsweise dringt
ein Pfahl mit einer kleinen Fläche sehr tief und schnell
ein, während eine breite Barriere, die mit der gleichen
Geschwindigkeit auf des Fahrzeug aufprallt, langsamer und
nicht so tief eindringt. Wenn der Pfahl die Mitte der Tür
trifft, so dringt er wesentlich schneller ein als wenn er
auf die B-Säule trifft. Ein Hindernis wird dabei um so
langsamer eindringen, je breiter es ist und es wird um so
tiefer und schneller eindringen je weicher die Stelle des
Auftreffens ist.
Eine eingangs erwähnte Sensoranordnung zur Detektion von
Kräften, die zu einer Deformation von mechanischen Bau
teilen, z. B. an Kraftfahrzeugen, führen, ist erfindungs
gemäß in vorteilhafter Weise dadurch weitergebildet, dass
nach dem Kennzeichen des Hauptanspruchs im wesentlichen
an den ev. deformierten Bauteilen eine Anzahl Kontaktele
mente vorhanden sind, die in einer möglichen Deformati
onsrichtung hintereinandergestaffelt angeordnet sind.
Zwischen den Kontaktelementen sind in vorteilhafter Weise
durch die Deformation des Bauteils kompressierbare Isola
tionsschichten angeordnet. Die Kontaktelemente werden
elektrisch leitend mit einer elektronischen Auswerte
schaltung verbunden, mittels der dann ein durch die De
formation bewirktes Kontaktieren und/oder Entkontaktieren
von benachbart angeordneten Kontaktelementen erfassbar
und in Steuer- und/oder Regelsignale unwandelbar ist.
Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist es beson
ders vorteilhaft, wenn ein Kontaktelement ein Basisele
ment darstellt und mindestens zwei Kontaktelemente in je
weils vorgegebenen Abständen davor angeordnet sind. Die
Abstände, bzw. die geometrische Gestaltung und die Stof
fauswahl dieser zwei kompressiblen Isolationsschichten
sind dabei jeweils so gewählt, dass aus den Zeitpunkten
des Kontaktierens und/oder Entkontaktierens der in Defor
mationsrichtung hintereinander liegenden Kontaktelemente
die Intrusionsgeschwindigkeit des die Deformation verur
sachenden Gegenstandes herleitbar ist.
Die kompressible Isolationsschicht, z. B. aus Schaumstoff,
zwischen den Kontaktelementen hat bei der Erfindung die
Funktion einer korrekten Definition der geometrischen Abstände
der Kontaktelemente. Das Kompressionsverhalten des
Materials ist deshalb ebenso wie das Temperaturverhalten
und die Steifigkeit unkritisch. Beim Aufbau der Sen
soranordnung ist nur darauf zu achten, dass die Steifig
keiten über den Verlauf der Lebensdauer der Sensoranord
nung nicht so hoch werden, dass ein Komprimieren der Sen
soranordnung verhindert wird. In den meisten Anwendungs
fällen sind die auftretenden Deformationskräfte so erheb
lich, dass ein auswertbares Deformieren allein dadurch
schon gewährleistet ist, selbst wenn die Steifigkeit der
Sensoranordnung variieren sollte.
Die Erfindung ermöglicht den Aufbau eines sog. Intrusi
onssensors für ein Kraftfahrzeug, der in einfacher Weise
bei einem Unfall das Eindringens eines Hindernisses in
die Bauteile des Fahrzeugs erkennt und dabei sowohl die
Geschwindigkeit des Eindringens (Intrusionsgeschwindig
keit) als auch die Breite des aufprallenden Objekts und
den Ort des Eindringens bestimmen lässt. Der Intrusions
sensor selbst wird durch das Eindringen deformiert und
die Deformation wird benutzt um die Kontaktelemente mit
einander in Berührung zu bringen, wobei die Deformation
selbst auch zur Bestimmung der Unfallschwere benutzt wer
den kann. Darüber hinaus kann der Intrusionssensor selbst
dabei als konstruktives Element so genutzt werden, dass
die Deformationscharakteristik des Fahrzeugs beeinflusst
werden kann.
Ein solcher Intrusionssensor kann neben der seitlichen
Plazierung auch zur Frontal- oder Heck-Aufprallerkennung
eingesetzt werden. Er wird dann z. B. zwischen der Stoß
stange und der Kunststoffverkleidung auf die Stoßstange
montiert. In einer solchen Konfiguration misst der Sensor
die Relativgeschwindigkeit des Aufpralls und es kann wie
derum die Breite des Hindernisses und Ort des Auftreffens
bestimmt werden. Mit diesem Intrusionssensor können dann
beispielsweise auch Information über das aufprallende
Hindernis erhalten werden.
Die Auswertung der mittels der Kontaktelemente erzeugten
Signale erfolgt auf einfache Weise dadurch, dass die Kon
taktelemente z. B. über eine Schutzbeschaltung, direkt an
einen Mikroprozessor der elektronischen Auswerteschaltung
angeschlossen werden, der die oben erwähnten Zeitpunkte,
z. B. T1 und T2, direkt messen kann. Die Zeitpunkte T1 und
T2 können jedoch auch durch Aufladung eines Kondensators
bestimmt werden und als kodierte Information direkt an
ein Auswertegerät, z. B. ein Airbag-Steuergerät in einem
Kraftfahrzeug, geschickt werden.
Damit die Kontaktelemente sicher in Berührung kommen,
muss die Sensoranordnung auch wirklich deformiert werden.
Missbrauchsbedingungen, wie z. B. Hammerschläge und ein
Türschlagen werden den Sensor in der Regel nicht soweit
deformieren, dass beide Kontaktelemente geschlossen wer
den. Die Missbrauchsprobleme, die bei den bekannten Be
schleunigungs- oder Drucksensoren zum Teil sehr schwer
wiegend sind, werden mit der Erfindung weitgehend verhin
dert. Wird beispielsweise der Sensor konstruktiv in der
Nähe eines Verstärkungsrohres in der Tür eines Kraftfahr
zeuges montiert, so wird die Sicherheit gegen Miss
brauchsbedingungen nochmals erhöht.
Im folgenden werden vorteilhafte Ausführungsformen der
Erfindung mit für besondere Anwendungsfälle ausgeführten
Gestaltungen der Kontaktelemente und der Isolations
schichten sowie einer Schutzbeschaltung angegeben.
Bei diesen Ausführungsformen sind die kompressiblen Iso
lationsschichten in mindestens einem Teilbereich der
Oberfläche der Kontaktelemente angeordnet und im jeweils
verbleibende Bereich ist ein Kontakt mit dem benachbarten
Kontaktelement durch Kompression der Isolationsschicht
und/oder durch Verformung des jeweiligen Kontaktelements
bewirkbar.
Bei einer ersten Ausführungsform sind die Isolations
schichten zwischen dem in Deformationsrichtung oben lie
genden Kontaktelement und dem mittleren Kontaktelement in
mindestens einem seitlichen Teilbereich angeordnet und
die Isolationsschichten zwischen dem in Deformationsrich
tung mittleren Kontaktelement und dem Basiselement sind
in zwei gegenüberliegenden seitlichen Teilbereich ange
ordnet.
Die Kontaktelemente sind hier geometrisch so ausgestat
tet, dass elektrischer Kontakt bei vollständiger Kompres
sion der Isolationsschicht gewährleistet ist, wobei dies
noch durch geeignete Stege auf dem Basiselement und ggf.
auch auf den anderen Kontaktelementen unterstützt werden
kann. Das Basiskontaktelement selbst kann auch geome
trisch so geformt werden, dass es in der Mitte eine Erhö
hung aufweist. Diese Erhöhung muss so hoch sein, dass sie
etwa der Dicke des kompressiblen Materials in vollständig
komprimierten Zustand entspricht.
Bei einer andern Ausführungsform sind die Isolations
schicht zwischen dem in Deformationsrichtung oben liegen
den Kontaktelement und dem mittleren Kontaktelement in
einem seitlichen Teilbereich angeordnet und die Isolati
onsschicht zwischen dem in Deformationsrichtung mittleren
Kontaktelement und dem Basiselement ist im gleichen seit
lichen Teilbereich angeordnet.
Hierbei befinden sich also die eigentlichen Kontaktflä
chen räumlich neben den kompressiblen Bereichen. Das Ba
siskontaktelement ist dabei so gestaltet, dass es stabil
genug ist, damit erst das obere und das mittlere Kontak
telement und das kompressible Material zur Kontaktierung
zusammengedrückt werden, bevor das Basiselement verbogen
wird. Damit die Abfolge des Komprimierens definiert
bleibt, ist es vorteilhaft, die Steifigkeit der ersten
Isolationsschicht im Bereich zwischen dem oberen und dem
mittleren Kontaktelement niedriger zu wählen als die der
zweiten Isolationsschicht im Bereich zwischen dem mittle
re Kontaktelement und dem Basiselement. Damit ist gewähr
leistet, dass zuerst das obere und das mittlere Kontakte
lement geschlossen werden, bevor sich zum Zeitpunkt T2
die zweite Isolationsschicht komprimiert.
Bei einer weiteren Ausführungsform bestehen mindestens
zwei Kontaktelemente aus Teilkontaktelementen, die im Ru
hezustand kontaktierend aneinander liegen. Die kompressi
blen Isolationsschichten sind in mindestens einem Teilbe
reich der Oberfläche der mindestens zwei Kontaktelemente
angeordnet und im jeweils verbleibende Bereich ist durch
Kompression der Isolationsschicht und/oder durch Verfor
mung des jeweiligen Kontaktelements ein Dekontaktieren
bzw. Öffnen der Teilkontaktelemente bewirkbar.
Mit dieser Ausführungsform kann ein Intrusionssensor da
durch realisiert werden, dass durch das Eindringen eines
Objekts und die resultierende Kompression das obere Kon
taktelement, z. B. über einen elektrisch isolierenden Ab
standhalter, auf einen ersten geschlossenen Kontakt des
mittleren Kontaktelements gedrückt wird. Das obere Kon
taktelement ist dabei geometrisch so geformt, dass der
Kontakt des mittleren Kontaktelements geöffnet wird. Wird
die Sensoranordnung weiter komprimiert, so drückt das
mittlere Kontaktelement und ein elektrisch isolierender
Abstandshalter auf ein unteres Kontaktelement am Basi
selement und öffnen diese. Aus dem zeitlichen Abstand
dieses Öffnens kann dann wiederum die Intrusionsgeschwin
digkeit bestimmt werden.
Für eine besonders vorteilhafte Auswertung kann das obere
Kontaktelement und das Basiskontaktelement aus einem ma
gnetischen Material und das mittlere Kontaktelement eine
Flachspule sein. Hierbei führt ein Kontaktieren der Kontaktelemente
zu einer Änderung der Impedanz zwischen dem
oberen und dem mittleren und zwischen dem mittleren und
dem Basiskontaktelement. Das Schließen der Kontaktelemen
te kann dabei auch mittels einem oder mehreren Hallsenso
ren detektiert werden. Nach einer vorteilhaften Weiter
bildung sind im oberen Kontaktelement und im Basiskontak
telement Permanentmagnete vorgesehen. Die Kontaktierung
vom oberem und mittlerem Kontaktelement und/oder vom
mittleren und vom Basiskontaktelement ist durch einen
Kontakt der Hallsensoren mit den Permanentmagneten auf
einfache Weise detektierbar.
Bei einer weiteren Ausführungsform können die Kontaktele
mente durch zwei flächenartige Bruchkeramiken gebildet
sein, die jeweils durch eine kompressible Isolations
schicht getrennt sind. Die Bruchkeramiken sind hier mit
einer elektrisch leitfähigen Bahn oder Schicht versehen,
deren Unterbrechung detektierbar ist. Eine Unterbrechung
beim Eindringen eines Objektes definiert dabei den Zeit
punkt T des Auftreffens. Ein Bruch der oberen Keramik den
Zeitpunkt T1 des Auftreffens und der Bruch der unteren
Keramik den Zeitpunkt T2. Aus der Zeitdifferenz von T1
und T2 und der Dicke der kompressiblen Isolationsschicht
kann dann die Intrusionsgeschwindigkeit bestimmt werden.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn zumindest das obere
und das mittlere Kontaktelement in einer Richtung, vor
zugsweise der Längsrichtung, in mehrere Kontaktbereiche
aufgeteilt ist, bei denen jeweils Paare von oberen und
mittleren Kontaktelementen über jeweils separate Leitun
gen mit der Auswerteschaltung verbunden sind.
Durch diese Aufteilung kann auch eine Ortsinformation der
Deformation gewonnen werden. Zwischen den jeweils zusam
mengehörigen Paaren kann nun auch für jeden Teilbereich
der Sensoranordnung nahezu unabhängig die Intrusionsge
schwindigkeit und aus der Anzahl der komprimierten Unter
teilungen kann die Breite des eindringenden Objekts bestimmt
werden. Aus der Zeitabfolge des Schließens der je
weiligen Kontaktpaare kann darüber hinaus auch der Ort
des primären Eindringens bestimmt werden.
Die bereits erwähnte Schutzschaltung beim Anschluss der
Kontaktelemente kann auf einfache Weise mit einem Wider
standsnetzwerk realisiert werden, bei dem z. B. ein je
weils zwischen dem oberen und dem mittleren und dem mitt
leren und dem Basiskontaktelement liegender Parallelwi
derstand sowie ein vom mittleren Kontaktelement führender
Reihenwiderstand angebracht ist. Der Reihenwiderstand ist
mit einer ersten Leitung und die zusammengeführten An
schlüsse des oberen und des Basiskontaktelements sind mit
einer zweiten Leitung an die Auswerteschaltung ange
schlossen.
Im Fall von Unterteilungen der Kontaktelemente in mehrere
Unterbereiche kann wiederum ein Widerstandsnetzwerk rea
lisiert werden, bei dem die Kontaktelemente über ein Wi
derstandsnetzwerk mit der Auswerteschaltung verbunden
sind, bei dem in jedem der aufgeteilten Kontaktbereiche
jeweils zwischen dem oberen und dem mittleren Kontaktele
ment ein Parallelwiderstand liegt. Diese Parallelwider
stände sind in Richtung der aufgeteilten Bereiche hinter
einander geschaltet und die äußeren Anschlüsse dieser
Reihenschaltung sind an die Auswerteschaltung geführt.
Auch hiermit kann die Anzahl der Leitungen, über die die
Sensoranordnung mit der Auswerteschaltung verbunden ist
reduziert werden, ohne dass die Auswertbarkeit leidet.
Die Kontaktflächen der Kontaktelemente können an ihrer
Oberfläche so behandelt sein, dass keine Korrosion statt
finden kann und das Schließen der Kontakte auch über die
gesamte Lebensdauer de Sensoranordnung gewährleistet ist.
Da die Sensoranordnung bei einer Anwendung im Kraft fahr
zeug auch in die Tür oder auf der Stoßstange des Kraft
fahrzeuges anbringbar ist, kann die Sensoranordnung auch
auf einfache Weise mit einer wasserdichten Ummantelung
umschlossen werden, die allerdings eine Deformation unge
hindert zulassen muss. Diese Ummantelung kann beispiels
weise ein dünner Gummimantel sein, der den Sensor herme
tisch abschließt, eine Kompression und einen Druckaus
gleich bei Temperaturschwankungen aber zulässt. Die ge
samte Sensoranordnung kann zum Beispiel auch in eine Um
mantelung aus dünnem, leicht deformierbaren Metall, wie
zum Beispiel einer dünnen Aluminium-Ummantelung eingebaut
werden.
Diese und weitere Merkmale von bevorzugten Weiterbildun
gen der Erfindung gehen außer aus den Ansprüchen auch aus
der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die
einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehre
ren in Form von Unterkombinationen bei der Ausführungs
form der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht
sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausfüh
rungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht
wird.
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranord
nung werden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten
Ausführungsbeispiels, bei dem die Sensoranordnung
als Intrusionssensor in der Tür eines Kraftfahrzeu
ges angebracht ist;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einer
Abwandlung der Anordnung von Kontaktelementen und
Isolationsschichten im Intrusionssensor nach der
Fig. 1;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit einer
Abwandlung der Anordnung von Kontaktelementen und
Isolationsschichten im Intrusionssensor nach der
Fig. 1, bei der die Kontaktelemente durch eine Defor
mation geöffnet werden;
Fig. 4 ein Intrusionssensor nach der Fig. 1 mit
einem Widerstandsnetzwerk als Schutzbeschaltung;
Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines In
trusionssensors mit in Längsrichtung aufgeteilten
Bereichen der Kontaktelemente, die über ein Wider
standsnetzwerk verbunden sind und
Fig. 6 ein Intrusionssensor nach der Fig. 5 mit
einem erweiterten Widerstandsnetzwerk.
Ein Ausführungsbeispiel einer Sensoranordnung 1 nach
Fig. 1 zeigt ein oberes elektrisch leitfähiges Kontaktele
ment 2, ein mittleres elektrisch leitfähiges Kontaktele
ment 3 und ein drittes elektrisch leitfähiges Kontaktele
ment 4 als Basiselement. Zwischen den Kontaktelementen 2,
3 und 4 liegen kompressible Isolationsschichten 5, 6 und
7, z. B. aus Schaumstoff, die die Kontaktelemente 2, 3 und
4 räumlich in einem vorgegebenen Abstand trennen, wobei
hier insbesondere der Abstand D zwischen dem mittleren
Kontaktelement 3 und dem Basiselement 4 für die Auswer
tung der Sensorsignale von Bedeutung ist.
Die Sensoranordnung 1 ist beispielsweise in die Türver
kleidung 10 eines hier nicht näher dargestellten Kraft
fahrzeuges eingebaut, die bei einem Unfall in einer Rich
tung 11 verformt werden kann. Die Kontaktelemente 2, 3
und 4 sind, ggf. mit Stegen 8 und 9, so ausgestattet,
dass ein elektrischer Kontakt zwischen diesen Elementen
2, 3 und 4 bei vollständiger Kompression der Isolationsschichten
5, 6 und 7 aufgrund eines Unfalls gewährleistet
ist.
Die Sensoranordnung 1 kann z. B. auf der Innenseite der
Tür des Kraftfahrzeugs unterhalb der Verstärkungsrohre
eingebaut werden, wobei die Sensoranordnung 1 die gesamte
Länge der Tür abdecken kann, beispielsweise vom vorderen
Anschlag an die sog. A-Säule bis zum Türschloss. Wird die
Türverkleidung 10 nun durch einen Aufprall eines Objekts
eingedrückt, so wird das obere Kontaktelement 3 auf das
mittlere Kontaktelement 4 gedrückt und damit kontaktiert,
so dass über an diese Kontaktelemente 2, 3 und 4 ange
schlossenen Leitungen 12, 13 und 14 der Zeitpunkt T1 der
Kontaktierung erfasst werden kann. Das Hindernis dringt
dann weiter ein und drückt schließlich das oberes und das
mittlere Kontaktelement 2 und 3 auf das Basiselement 4.
Der Kontakt zwischen dem mittlerem Kontaktelement 3 und
dem Basiselement 4 wird dann zu einem Zeitpunkt T2 ge
schlossen.
Die Intrusionsgeschwindigkeit Vi des Objekts kann dann
aus dem bekannten Abstand D zwischen dem mittlerem Kon
taktelement 3 und dem Basiselement 4 und den Zeitpunkten
T1 und T2 nach der Beziehung
Vi = D/(T2 - T1) (1)
ermittelt werden. Typischerweise beträgt der Abstand D in
etwa 2 cm, womit sich bei einer Geschwindigkeit von 20 m/s
(entspr. 72 km/h) eine Zeitdifferenz T2 - T1 von 0.02/20 sec
entsprechend 1 ms ergibt. Diese Zeitdifferenz ermög
licht sowohl eine direkte Messung durch einen Mikropro
zessor in der Auswerteschaltung als auch ein schnelles
Ansteuern von Aktuatoren im Fahrzeug, wie z. B. ein Air
bag.
Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist ein Intru
sionssensor 20 mit Kontaktelementen 21, 22 und 23 verse
hen, die in Abwandlung zur Fig. 1 einseitig mit jeweils
einer Isolationsschicht 24 und 25 versehen sind. Die Er
mittlung der Intrusionsgeschwindigkeit Vi erfolgt hier in
gleicher Weise wie beim Ausführungsbeispiel nach der
Fig. 1.
Aus Fig. 3 ist ein Ausführungsbeispiel einer Sen
soranordnung 30 zu entnehmen, bei der ein oberes Kontak
telement als Druckplatte 31 ausgeführt ist. Es ist wei
terhin eine mittleres Kontaktelement 32 und ein unteres
Kontaktelement 33 an einer Basisplatte 34 vorhanden. Die
Kontaktelemente 32 und 33 bestehen aus Teilkontaktelemen
ten, die im Ruhezustand kontaktierend aneinander liegen.
Kompressible Isolationsschichten 35 und 36 sind zwischen
den Kontaktelementen 31 und 32 und zwischen 33 und 34 an
gebracht.
Durch Kompression der Isolationsschichten 35 und 36 bei
einer Deformation des Sensorelements 30 öffnen dabei die
Kontaktelemente 32 und 33. Beim Eindringen eines Objekts
und die resultierende Kompression der Isolationsschichten
35 und 36 drückt die obere Druckplatte 31 auf einen er
sten geschlossenen Kontakt der mittleren Kontaktplatte
32. Die Druckplatte 31 ist geometrisch so geformt, dass
z. B. über eine elektrisch isolierende Erhebung 37 der
Kontakt der mittleren Teilkontaktelemente 32 dabei geöff
net wird. Wird die Sensoranordnung weiter komprimiert, so
drückt das mittlere Kontaktelement 32 und eine elektrisch
isolierende Erhebung 38 auf das untere Kontaktelement 33
und öffnet hier den Kontakt. Aus dem zeitlichen Abstand
des Öffnens kann wiederum, wie oben erwähnt, die Intrusi
onsgeschwindigkeit Vi bestimmt werden.
Wie oben erwähnt, ist es sinnvoll, wenn die Kontaktele
mente 2, 3, 4; 21, 22, 23 oder 31, 32, 33 über eine
Schutzbeschaltung direkt an den Mikroprozessor der Aus
werteschaltung angeschlossen werden können, der die Zei
ten T1 und T2 direkt messen kann. In Fig. 4 ist ein Bei
spiel zur Realisierung eines Widerstandsnetzwerkes in
Verbindung mit dem anhand der in der Fig. 1 beschriebe
nen Sensoranordnung 1 gezeigt. Hier ist ein Widerstand R1
parallel zu den Kontaktelementen 2 und 3 und ein Wider
stand R2 parallel zu den Kontaktelementen 3 und 3 ange
ordnet. Vom Kontaktelement 3 geht ein Reihenwiderstand R3
zu dem Anschluss 14. Der Reihenwiderstand R3 ist daher
mit einer ersten Leitung und die zusammengeführten An
schlüsse der Widerstände R1 und R2 des es oberen und des
Basiskontaktelements 2 bzw. 3 sind mit einer zweiten Lei
tung an über den Anschluss 15 an die Auswerteschaltung
angeschlossen.
Somit kann bei diesem Ausführungsbeispiel mit nur zwei
Verbindungen der Auswerteschaltung zur Sensoranordnung 1
das Schließen beider Kontakte bestimmt werden. Falls kein
Aufprall an diesem Intrusionssensor 1 vorliegt und damit
keine Verformung aufweist ist der Gesamtwiderstand
R = R3 + 1/(l/R1 + 1/R1) (2).
Im Falle eines Aufpralls wird dann zunächst der obere
Kontakt zwischen den Kontaktelementen 2 und 3 geschlos
sen. Der Gesamtwiderstand ist dann
R = R3 + R2 (3).
Wenn die Sensoranordnung 1 weiter deformiert wird und der
untere Kontakt schließt, so ist der Gesamtwiderstand
R = R1 (4).
Wird die gesamte Länge einer Sensorschaltung 40 nach
Fig. 5 in mehrere schmalere Bereiche 41, 42, 43 und 44
aufgeteilt, so kann auch eine Information über den Ort
einer Deformation gewonnen werden. Dazu werden hier je
weils die oberen und mittleren Kontaktelemente in mehrere
Bereiche aufgeteilt, so dass zwischen jeweils zusammen
gehörigen Paaren von oberem und mittlerem Kontaktelement
und dem unteren Basiselement nun für jeden Teilbereich
41, 42, 43 und 44 der Sensoranordnung 40 nahezu unabhän
gig die Intrusionsgeschwindigkeit bestimmt werden kann.
Aus der Anzahl der komprimierten Bereiche 41, 42, 43 oder
44 kann die Breite des eindringenden Objekts bestimmt
werden und aus der Zeitabfolge des Schließens der jewei
ligen Paare der Kontaktelemente kann der Ort des primären
Eindringens bestimmt werden. Das hier einsetzbare Wider
standsnetzwerk nach der Fig. 5 enthält in jedem der auf
geteilten Bereiche 41, 42, 43 und 44 jeweils zwischen dem
oberen und dem mittleren Kontaktelement und dem mittleren
und dem Basiselement einen Parallelwiderstand R11, R12;
R21, R22; R31, R32 und R41, R42. Diese Parallelwiderstände sind
in Richtung der aufgeteilten Bereiche hintereinander ge
schaltet und die äußeren Anschlüsse dieser Reihenschal
tung sind über Anschlüsse 45 und 46 an die Auswerteschal
tung geführt.
In Fig. 6 ist eine Abwandlung des Widerstandsnetzwerkes
nach der Fig. 5 dargestellt, bei der die Widerstandspaa
re der Parallelwiderstand R11, R12; R21, R22; R31, R32 und R41, R42
jeweils parallel an einer Seite über einen Reihenwider
stand R10, R20, R30 und R40 sowie einen Gesamtreihenwider
stand R0 an den Anschluss 46 und mit der anderen Seite
direkt an den Anschluss 45 geführt sind.
Claims (20)
1. Sensoranordnung zur Detektion von Kräften, die zu ei
ner Deformation von mechanischen Bauteilen (10) führen,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Sensoranordnung (1; 20; 30; 40) eine Anzahl Kontakte lemente (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) aufweist, die in ei ner möglichen Deformationsrichtung (11) hintereinan dergestaffelt am Bauteil (10) angeordnet sind, wobei zwischen den Kontaktelementen (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) kompressible Isolationsschichten (5, 6, 7; 24, 25; 35, 36) liegen und dass
- - die Kontaktelemente (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) elek trisch leitend mit einer elektronischen Auswerteschal tung verbunden sind, mittels der ein durch eine Defor mation bewirktes Kontaktieren und/oder Entkontaktieren von benachbart angeordneten Kontaktelementen (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) erfassbar und in Steuer- und/oder Regelsignale unwandelbar ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, dass
- - ein Kontaktelement ein Basiselement (4; 23; 33, 34) dar stellt und mindestens zwei Kontaktelemente (4; 21, 22; 31, 32) in jeweils vorgegebenen Abstanden (D) dazu angeordnet sind, wobei die Abstände (D) oder die mindestens zwei kompressiblen Isolationsschichten (5, 6, 7; 24, 25; 35, 36) jeweils so ausgestaltet sind, dass aus den Zeitpunkten (T1, T2) des Kontaktierens und/oder Entkontaktierens der in Deformationsrichtung hinter einander liegenden Kontaktelemente (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) die Intrusionsgeschwindigkeit (Vi) des die Deformation verursachenden Gegenstandes herleitbar ist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass
- - die kompressiblen Isolationsschichten (5, 6, 7; 24, 25; 35, 36) in mindestens einem Teilbereich der Oberfläche der Kontaktelemente (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) angeord net sind und dass
- - im jeweils verbleibende Bereich ein Kontakt mit dem benachbarten Kontaktelement (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) durch Kompression der Isolationsschicht (5, 6, 7; 24, 25; 35, 36) (und/oder durch Verformung des je weiligen Kontaktelements . . .?) bewirkbar ist.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, dass
- mindestens zwei Kontaktelemente (32, 33) aus Teilkon
taktelementen bestehen, die im Ruhezustand kontaktie
rend aneinander liegen und dass
- - die kompressiblen Isolationsschichten (35, 36) in min destens einem Teilbereich der Oberfläche der minde stens zwei Kontaktelemente (32, 33) angeordnet sind und im jeweils verbleibende Bereich durch Kompression der jeweiligen Isolationsschicht (35, 36) (und/oder durch Verformung des jeweiligen Kontaktelements . . .?) ein De kontaktieren der Teilkontaktelemente bewirkbar ist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge
kennzeichnet, dass
- - die Isolationsschicht (5) zwischen dem in Deformati onsrichtung oben liegenden Kontaktelement (2) und dem mittleren Kontaktelement (3) in mindestens einem seit lichen Teilbereich und dass
- - die Isolationsschichten (6, 7) zwischen dem in Deforma tionsrichtung mittleren Kontaktelement (3) und den Ba siselement (4) in zwei gegenüberliegenden seitlichen Teilbereich angeordnet sind.
6. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich
net, dass
- - die Isolationsschicht (24) zwischen dem in Deformati onsrichtung oben liegenden Kontaktelement (21) und dem mittleren Kontaktelement (22) in einem seitlichen Teilbereich und dass
- - die Isolationsschicht (25) zwischen dem in Deformati onsrichtung mittleren Kontaktelement (22) und dem Basiselement (23) im gleichen seitlichen Teilbereich an geordnet ist.
7. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
- - die kompressiblen Isolationsschichten (5, 6, 7; 24, 25; 35, 36) aus Schaumstoff sind.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass
- - das obere Kontaktelement und das Basiskontaktelement aus einem magnetischen Material sind und das mittlere Kontaktelement eine Flachspule ist, wobei ein Kontak tieren der Kontaktelemente zu einer Änderung der Impe danz zwischen dem oberen und dem mittleren und zwi schen dem mittleren und dem Basiskontaktelement führt.
9. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
- - das Kontaktieren der Kontaktelemente mittels Hallsen soren erfasst wird.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich
net, dass
- - am mittleren Kontaktelement ein oder mehrere Hallsen soren angebracht sind und dass
- - im oberen Kontaktelement und im Basiskontaktelement Permanentmagnete vorgesehen sind, wobei die Kontaktie rung vom oberem und mittlerem Kontaktelement und/oder vom mittleren und vom Basiskontaktelement durch einen Kontakt der Hallsensoren mit den Permanentmagneten de tektierbar ist.
11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da
durch gekennzeichnet, dass
- - die Kontaktelemente durch zwei flächenartige Bruchke ramiken gebildet sind, die durch eine kompressible Isolationsschicht getrennt sind, dass
- - die Bruchkeramiken mit einer elektrisch leitfähigen Bahn versehen sind, deren Unterbrechung detektierbar ist.
12. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
- - in einer unterteilten Sensoranordnung (40) zumindest das obere und das mittlere Kontaktelement in einer Richtung, vorzugsweise der Längsrichtung, in mehrere Bereiche (41, 42, 43, 44) aufgeteilt ist, bei denen je weils Paare von oberen und mittleren Kontaktelementen über jeweils separate Leitungen mit der Auswerteschal tung verbunden sind.
13. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Kontaktelemente über ein Widerstandsnetzwerk mit der Auswerteschaltung verbunden sind.
14. Sensoranordnung nach Anspruch 13, dadurch gekenn
zeichnet, dass
- das Widerstandsnetzwerk aus jeweils zwischen dem obe
ren und dem mittleren und dem mittleren und dem Basis
kontaktelement liegenden Parallelwiderstand (R1, R2) so
wie einem vom mittleren Kontaktelement führenden Rei
henwiderstand (R3) besteht und dass
- - der Reihenwiderstand (R3) mit einer ersten Leitung und die zusammengeführten Anschlüsse des oberen und des Basiskontaktelements (2, 4) mit einer zweiten Leitung über Anschlüsse (13, 15) an die Auswerteschaltung ange schlossen sind.
15. Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, dass
- - die Kontaktelemente über ein Widerstandsnetzwerk mit der Auswerteschaltung verbunden sind, bei dem in jedem der aufgeteilten Bereiche (41, 42, 43, 44) jeweils zwi schen dem oberen und dem mittleren Kontaktelement ein Parallelwiderstand (R11, R12; R21, R22; R31, R32; R41, R42) liegt und dass
- - diese Parallelwiderstände (R11, R12; R21, R22; R31, R32; R41, R42) in Richtung der aufgeteilten Bereiche (41, 42, 43, 44) hintereinander geschaltet sind und die äußeren An schlüsse (45, 46) dieser Reihenschaltung an die Auswer teschaltung geführt sind.
16. Sensoranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekenn
zeichnet, dass
- - die Kontaktelemente über ein Widerstandsnetzwerk mit der Auswerteschaltung verbunden sind, bei dem in jedem der aufgeteilten Bereiche (41, 42, 43, 44) jeweils zwi schen dem oberen und dem mittleren Kontaktelement ein Parallelwiderstand (R11, R12; R21, R22; R31, R32; R41, R42) liegt und dass
- - zu einem der Bereiche (41, 42, 43, 44) gehörenden Paare dieser Parallelwiderstände (R11, R12; R21, R22; R31, R32; R41, R42) mit einem Ende über einen Reihenwiderstand (R10; R20 ; R30; R40) und gemeinsam über einen Gesamtreihenwider stand (R0) an den Anschluss (46) jeweils mit dem ande ren Ende an den Anschluss (45) für die Auswerteschal tung geführt sind.
17. Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, dadurch gekennzeichnet, dass
- - die Kontaktelemente (2, 3, 4; 21, 22, 23; 31, 32, 33) mit ei ner Korrossionsschutzschicht und die Sensoranordnung (1; 20, 30, 40) mit einem feuchtigkeitsdichten Schutz film, vorzugsweise aus gummielastischen Material, überzogen sind.
18. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
- - die gesamte Sensoranordnung (1; 20, 30, 40) von einer hermetisch verschlossenen Metallummantelung aus dün nem, weichem, leicht kompressiblen Metall umschlossen ist und eine feuchtigkeitsdichte elektrische Verbin dung nach außen aufweist.
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